Эволюция характера защиты клеток у низших организмов

Введение

Актуальность работы состоит в следующем. На начальных этапах развития предковые формы жизни (примитивные прокариотические клетки) использовали для обеспечения своего существования органические молекулы небиологического происхождения. Каталитические системы первых прокариотических клеток отличались примитивностью – необходимую энергию клетки получали при помощи процессов брожения. Однако затем отдельные виды клеток переключились с брожения на процессы дыхания, что способствовало более эффективному получению энергии. В свою очередь, в процессе дыхания синтезировался токсичные формы кислорода, которые требовали выработки механизмов его нейтрализации [4].
В настоящее время клетки низших организмов выработали несколько механизмов защиты. К первому типу защиты относится активность специализированных ферментов, основной (а в некоторых случаях и единственной) задачей которых и является биологическая трансформация токсических форм кислорода. Вторым типом защитных механизмов является использование различных клеточных метаболитов, направленных на разрушение токсичных форм кислорода. В данном случае, такая функция метаболитов является побочной. Третий тип защитных механизмов прокариот реализуется на более высоких уровнях, таких как популяционный, физиологический, структурный [6]. Данные механизмы направлены на сохранение всего вида и защита от токсического действия кислорода является только одной из сторон такой адаптации.
Целью работы является изучение эволюции характера защиты клеток у низших организмов. Для того, чтобы достичь поставленной цели необходимо решить ряд промежуточных задач, таких как:
1. Рассмотреть ферментные системы защиты клетки;
2. Рассмотреть защиту клетки при помощи каталазы и пероксидазы;
3. Рассмотреть механизмы защиты клетки с помощью клеточных метаболитов;
4. Рассмотреть особенности развития механизмов защиты клеток у низших водорослей;

1. Ферментные системы защиты клетки

В процессе эволюционного развития существующие виды примитивных клеток (в первую очередь прокариот выработали ряд приспособительных механизмов, направленных на нейтрализацию токсического воздействия молекулярного кислорода [6].
Таких механизмов существует три типа. Рассмотрим их более подробно.
Защитные системы первого типа представляют собой специализированные ферментные комплексы, основной и единственной функцией которых является разложение токсичных форм кислорода. В системах второго типа защита осуществляется посредством воздействия на кислород клеточных метаболитов, в частности каротиноидов. Третьим типом защитных механизмов является глобальная система структурных, физиологических и популяционных адаптаций, которые не имеют специализированного характера и направлены на выживание вида.

Таблица 1 – Типы защитных механизмов клетки [6]

Тип защиты Механизм защитного действия Представители растительного и животного мира
специализированный Специализированные ферментные комплексы, разлагающие или связывающие кислород (супероксиддисмутаза) Хемотрофные покариоты, облигатные и факультативные анаэробы,
неспециализированный Клеточные метаболиты и ферменты неспециализированного действия – пероксидазы, каталазы, каротиноиды
Одноклеточные водоросли и грибы, водоросли,
общебиологический Структурные, физиологические и популяционные адаптации Прокариоты, низшие водоросли, грибы и другие организмы

243205838200Общая схема защиты клеток от воздействия молекулярного кислорода и других активных окислителей, в том числе свободных радикалов, представлена на рис. 1

Рис. 1 Схема антиоксидантной защиты клеток

Охарактеризуем основные ферментные системы защиты в прокариотических клетках. Основными ферментами в данном процессе выступают супероксиддисмутаза, захватывающая молекулы О2, каталаза и пероксидаза, улавливающие H2O2: Они минимизирую концентрацию в клетке O2–. и H2O2 и не дают им возможности взаимодействовать с образованием ОН–.
Супероксиддисмутаза обнаружена у хемотрофных прокариот, которые используют кислород как в облигатном как и в факультативном состоянии. А также среди представителей группы прокариот, способных осуществлять фотосинтез [5].
Среди анаэробных представителей прокариот данный фермент обнаруживается у подавляющего большинства аэротолерантных форм. Исключением являются некоторые молочнокислые бактерии, в клетках котрых присутствует высокая концентрация двухвалентного марганца. Выяснилось, что ионы марганца способны окисляться под воздействием кислорода и в высоких концентрациях демонстрируют такую же активность в отношении молекулярного кислорода, как и супероксиддисмутаза, содержание которой в клетке обычно поддерживается на микромолярном уровне [5].
Следовательно, в клетках молочнокислых бактерий функцию нейтрализации токсичного воздействия кислорода выполняют не ферментные системы, а ионы двухвалентного марганца. В свою очередь, в клетках других молочнокислых бактерий не было обнаружено ни ионов двухвалентного марганца ни фермента супероксиддисмутазы, что обусловливает высокую чувствительность этих микроорганизмов к воздействию молекулярного кислорода.
Среди представителей группы анаэробных микроорганизмов фермент супероксиддисмутаза обнаруживается у многих представителей рода Clostridium. Такие исследователи как М.В. Гусев и Л.А. Минеева [5] выяснили, что устойчивость клостридий к кислороду демонстрирует четкую связь с содержанием в клетках этого фермента. Те виды клостридий, в клетках которых присутствует данный фермент, демонстрирует умеренную или даже высокую устойчивость к воздействию кислорода, в отличие от видов, у которых этого фермента нет.
А.В

. Алешукина [1] считает, что супероксиддисмутаза может синтезироваться у разных видов строго анаэробных бактерий. Число организмов с не выявленной до сих пор супероксиддисмутазой очень мало.
Обнаружение супероксиддисмутазы у строгих анаэробов (гораздо более распространенное, чем предполагали раньше) ставит вопрос о ее физиологической роли у этих организмов. Способность анаэробных микроорганизмов к жизни в строго бескислородной среде ставит под сомнение защитные функции указанного выше фермента. Существует мнение, что только при попадании строгого анаэроба в неблагоприятные для него аэробные условия синтез фермента индуцируется молекулярным кислородом, что и приводит к защите от негативного воздействии кислорода.
Супероксиддисмутаза — фермент, содержащий в активном центре в качестве простетической группы ионы металла. У прокариот — это атомы марганца и/или железа. Большинство изученных супероксиддисмутаз построено из двух идентичных субъединиц, каждая из которых содержит по одному атому металла. Fe– и Mn–ферменты сходны по аминокислотной последовательности. Попытки выявить связь между физиологическими и иными особенностями организмов и металлоформой содержащегося в них фермента не привели к определенному заключению.
Обе формы данного фермента были обнаружены у представителей грамположительных и грамотрицательных прокариот, среди фото– и хемотрофов, облигатных анаэробов, аэробов и факультативно анаэробных форм. Более того, обе металлоформы супероксиддисмутазы могут присутствовать у одного организма и даже входить в состав молекулы одного фермента. Для некоторых видов показано, что синтез того или иного типа фермента зависит от наличия ионов металла в среде культивирования. Супероксиддисмутаза изученных хемотрофных прокариот представляет собой не связанный с мембранами фермент, который локализован в цитоплазме. У кишечной палочки, в клетках которой обнаружены Fe–, Mn– и Fe/Mn–формы фермента, Fe–супероксиддисмутаза локализована в периплазматическом пространстве, а Mn–содержащий фермент — в цитоплазме [4].
Особенно остро стоит проблема защиты от молекулярного кислорода и его производных в клетках цианобактерий. Поскольку данные микроорганизмы относятся к группе древних прокариот, то вероятно что они первыми испытали на себе токсическое действие кислорода в атмофере планеты и потому были вынуждены выработать ферментативный механизм защиты о повреждающего действия. Поэтому фермент супероксиддисмутаза найдена у всех цианобактерий. В частности, Лысак в клетках Anacystis nidulans (Synechococcus) Fe–супероксиддисмутаза, составляющая до 90% от общего количества фермента, локализована в цитозоле клетки, а Mn–содержащая форма — в тилакоидах. Функция последней формы фермента сводится, вероятно, к перехвату ионов O2–., возникающих в процессе фотосинтетического электронного транспорта [7].
Следовательно, ферментативная система защиты клеток притивных микроорганизмов от повреждающих факторов, в том числе от молекулярного кислорода является специализированным типом защиты. Который появился в самом начале эволюции этих организмов в связи с накопление в атмосфере планете свободного кислорода.

2. Защита клетки при помощи каталазы и пероксидазы

Помимо специализированных ферментных систем в защите клетки большое значение имеют такие ферменты как каталаза и пероксидаза, которые принимают участие в разрушении перекиси водорода, также обладающей токсичных воздействием на живые клетки. Каталаза и пероксидаза нейтрализуют перекись посредством восстановления ее до H2O и использующих в качестве донора электронов H2O2 в случае каталазы или различные органические соединения в случае пероксидазы [2].
Каталазная и пероксидазная активность обнаруживается у всех облигатно и факультативно аэробных прокариот. Среди облигатных анаэробов каталаза и пероксидаза встречается значительно реже, чем рассмотренный выше фермент супероксиддисмутаза. Существуют многие строгие и аэротолерантные анаэробы, которые содержат супероксиддисмутазу, но не содержат каталазу. К их числу можно отнести и те молочнокислые бактерии, у которых дисмутация образующихся ионов O2–. обеспечивается Mn2+, находящимся в клетках в высоких концентрациях [4].
Отсутствие каталазы у молочнокислых бактерий связано с тем, что они не могут синтезировать гем — простетическую группу фермента, но способны к синтезу апофермента. При добавлении гемовых групп извне молочнокислые бактерии образуют гемсодержащую каталазу. У ряда молочнокислых бактерий обнаружена каталаза, не содержащая гемовой группы, названная поэтому псевдокаталазой. Выделенный фермент состоит из шести идентичных полипептидных цепей, соединенных между собой нековалентными силами. Каждая субъединица содержит 1 атом марганца.
Перекись водорода, которая образуется в результате взаимодействия клеток с O2, может быть нейтрализована пи без участия ферментных систем. Известно, что ионы Fe2+ в водном растворе ускоряют восстановление H2O2 до H2O. В клетке всегда содержится некоторое количество ионов железа. Разрушение H2O2 может происходить и за счет выделяющихся в культуральную среду восстановленных веществ [3].
Для анаэробных прокариот, способных переносить контакт с O2 и его производными в относительно небольших масштабах, необходимо присутствие в клетках супероксиддисмутазы, которая неутрализует O2–. Наличие каталазы при этом не обязательно, поскольку возникающая в реакции дисмутации и других реакциях перекись водорода разлагается спонтанно или с участием неферментативных катализаторов, и организмы в целом справляются с ней в этих условиях